Tiếp cận mô hình ngăn trộn dựa trên mô phỏng CFD kết hợp phân tích RTD mô tả đặc trưng dòng chảy trong bể chứa

Bài viết Tiếp cận mô hình ngăn trộn dựa trên mô phỏng CFD kết hợp phân tích RTD mô tả đặc trưng dòng chảy trong bể chứa giới thiệu hướng tiếp cận phương pháp ngăn trộn (Compartmental Model - CM) với ưu điểm tổng hợp thông tin từ RTD và CFD, hứa hẹn khả năng mô hình hóa các hệ thống bể chứa phức tạp.

TIẾP CẬN MƠ HÌNH NGĂN TRỘN DỰA TRÊN MƠ PHỎNG CFD KẾT HỢP PHÂN TÍCH RTD MƠ TẢ ĐẶC TRƯNG DÒNG CHẢY TRONG BỂ CHỨA TRẦN TRỌNG HIỆU1, HUỲNH THỊ THU HƯƠNG1, NGUYỄN THANH CHÂU1, LÊ VĂN SƠN1 Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam Email: hieutt@canti.vn Tóm tắt: Việc hiểu rõ đặc trưng dòng chảy bể chứa thơng tin động học, vùng thể tích chết, vùng hoạt động tối ưu giúp kiểm soát hiệu suất làm việc bể Hai phương pháp truyền thống áp dụng để mơ tả dịng chảy bể kín: phương pháp tính tốn động học dịng chảy (CFD) dựa việc giải phương trình Navier–Stokes phương pháp số - cung cấp thông tin chi tiết hệ thống dịng chảy thường địi hỏi thời gian tính tốn lớn, phương pháp phân tích phân bố thời gian lưu (RTD) dựa đường cong đánh dấu thực nghiệm - đơn giản tính tốn khơng định xứ vùng chảy đặc trưng hệ thống Báo cáo giới thiệu hướng tiếp cận phương pháp ngăn trộn (Compartmental Model - CM) với ưu điểm tổng hợp thông tin từ RTD CFD, hứa hẹn khả mơ hình hóa hệ thống bể chứa phức tạp Từ khóa: mơ hình ngăn trộn, CFD, RTD I GIỚI THIỆU Các bể chứa sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp xử lý nước thải, ni trồng thủy hải sản, hay bể hịa trộn nhiều pha Trong đó, thơng tin động học chảy, vùng thể tích chết, vùng hoạt động tối ưu thơng số quan trọng giúp người quản lý kiểm soát hiệu suất làm việc bể Tính tốn động học dịng chảy (CFD) sử dụng phân tích số đưa lời giải chi tiết dòng chảy chất lưu bên hệ thống Tuy nhiên, CFD phức tạp đòi hỏi khối lượng thời gian tính tốn lớn hạn chế ứng dụng thực tế Mơ hình ngăn trộn (CM) cách tiếp cận thay cho phép giảm tải tính tốn với chi phí thấp CFD Trong đó, hệ thống dịng chảy đại diện tổ hợp ngăn trộn tương ứng với vùng dòng chảy hòa trộn lý tưởng, chảy nút, thể tích chết với tiêu chí phân vùng dựa vào trường vận tốc bể xác định từ CFD Độ xác CM phụ thuộc vào số lượng thể tích ngăn trộn kết nối ngăn Y.Le Moullec (2010) so sánh ba phương pháp mơ hình hóa khác gồm mơ CFD, mơ hình CM, mơ hình Continuous Stirred Tank Reactor - CRTR mơ hình hóa bể xử lý chất thải Bể xử lý chia thành bốn ngăn mơ hình CM: ngăn trung tâm có vận tốc thấp động hỗn loạn thấp, ngăn bao quanh ngăn trung tâm tương ứng với vận tốc cao động hỗn loạn cao, ngăn gần đầu vào bơm khí với vận tốc cao động hỗn loạn lớn, ngăn cuối đại diện cho vùng thể tích chết có vận tốc thấp động hỗn loạn thấp Kết cho thấy mơ hình CM cho dự đốn xác nồng độ dọc theo bể xử lý với tốc độ tính tốn nhanh so với mơ hình CFD [1] A Delafosse (2010) cộng nghiên cứu phát triển mơ hình CM từ kết mơ CFD để mơ tả q trình trộn bể sinh học Mơ CFD cung cấp mơ hình chi tiết thủy động lực học pha trộn, nhiên thời gian tính tốn lâu mơ phức tạp Vì vậy, nghiên cứu đề xuất mơ hình CM dựa kết mơ CFD trường vận tốc bể sinh học Cách tạo ngăn từ mô CFD thực chia vùng thủ công tự động [2] Việc nghiên cứu mơ hình CM để mơ tả q trình thủy động lực học bể ổn định chất thải thực A Alvarado cộng (2012) Nghiên cứu trình bày phương pháp sử dụng mơ hình CFD kiểm chứng thí nghiệm làm tảng để phát triển mơ hình ngăn Compartmental để mô tả hành vi thủy động lực học bể ổn định chất thải Cuaenda (Ecuador) [3] S Yang (2018) cộng đề xuất phương pháp tối ưu hóa q trình trộn bể cách sử dụng mơ hình CM dựa kết mơ CFD Kết cho thấy sử dụng mơ hình CM để tối ưu hóa q trình trộn bể [4] Như vậy, việc thiết lập ngăn trộn chìa khóa phương pháp CM Phân tích thời gian lưu trung bình (RTD) dựa đường cong nồng độ chất đánh dấu sử dụng cách để xác nhận mơ hình CM, đó, mơ hình hóa đường cong thực nghiệm RTD việc thiết lập ngăn cho đường cong RTD mơ hình CM phù hợp với thực nghiệm Báo cáo trình bày nghiên cứu tổng quan phương pháp CM dựa mô CFD phân tích RTD mơ tả đặc trưng dịng chảy bể chứa khơng phản ứng hóa học số kết mô sử dụng phần mềm ANSYS ACADEMIC 2019R3 II NỘI DUNG II.1 Đối tượng phương pháp II.1.1 Mơ động học dịng chảy (CFD) Mơ CFD 3D mô tả bể chứa với đầu vào đầu nghiên cứu thực cách sử dụng gói phần mềm hỗ trợ học thuật FLUENT (ANSYS ACADEMIC 2019R3, Hoa Kỳ) CFD mơ vận chuyển chất đánh dấu bể chứa theo ba hướng tiếp cận: (1) Eulerian – Lagrangian liên quan đến việc áp dụng phương pháp Eulerian cho pha liên tục Lagrangian cho pha phân tán; (2) Eulerian – Eulerian liên quan đến việc áp dụng phương pháp Eulerian cho pha mà không quan tâm đến mặt tiếp xúc pha; (3) Thể tích chất lưu (Volume of Fluid – VOF) liên quan đến việc áp dụng phương pháp Eulerian cho pha tính tốn mặt tiếp xúc pha sở thể tích Trong nghiên cứu này, tiếp cận dựa thể tích pha (VOF) quan tâm Phương trình thể vận chuyển pha (nước – pha liên tục, chất đánh dấu – pha rời rạc) [5]: ∂ρ + ∇.(ρv ) = ∑ S k ∂t ∂ (ρv ) + ∇.(ρvv ) = −∇π + ρg + F ∂t (1) (2) Với ρ v khối lượng riêng vận tốc pha, Sk tốc độ chuyển khối pha, g gia tốc trọng trường, F đại lượng trao đổi momen pha Trong đơn vị thể tích chứa nhiều chất lưu nên phương trình giải cách sử dụng tính chất hỗn hợp chất lưu ρ = ∑α k ρ k (3) Với αk tỷ phần thể tích pha k đơn vị thể tích, xác định phương trình: ∂α k + (v k ∇ )α k = S k ∂t II.1.2 Phân tích phân bố thời gian lưu (RTD) Việc ứng dụng phân tích phân bố thời gian lưu (RTD) dựa kết đánh dấu khảo sát hệ thống dòng chảy khởi xướng P.V Danckwerts (1953) [6] Đến nay, phương pháp trở thành công cụ quan trọng nhiều lĩnh vực kỹ thuật môi trường Chất đánh dấu bơm vào hệ thống lối vào quan trắc nồng độ lối theo thời gian Theo định nghĩa, phân bố thời gian lưu tính dựa đường cong nồng độ chất đánh dấu ghi nhận đầu C(t): (4) E (t ) = C (t ) (5) ∞ ∫ C (t )dt Thời gian chất đánh dấu hệ thống gọi thời gian lưu, tính theo công thức: ∞ τ= ∫ C (t )tdt (6) ∞ ∫ C (t )dt Đối với chất lưu có khối lượng riêng khơng đổi chảy hệ thống tích V với tốc độ dịng chảy Q, thời gian lưu mặt lý thuyết xác định: τ= V Q (7) Mơ hình hóa dịng chảy từ liệu thực nghiệm RTD có nghĩa biểu diễn đường cong thực nghiệm hàm lý thuyết biết minh họa Hình Hình Phân bố thời gian lưu kiểu chảy hòa trộn lý tưởng E (t ) =  t exp −  (trái) phân bố τ  τ thời gian lưu kiểu chảy nút E (t ) = δ (t − τ ) (phải) [7] II.1.3 Mô hình ngăn trộn (CM) Mơ hình ngăn trộn (CM) xây dựng hệ thống dòng chảy gồm tổ hợp ngăn trộn tương ứng với vùng dòng chảy hịa trộn lý tưởng, chảy nút, thể tích chết với tiêu chí phân vùng dựa vào trường vận tốc bể xác định từ CFD Sau đó, mơ hình xác nhận thơng qua việc mơ hình hóa đường cong RTD cho phù hợp với kết thu từ thực nghiệm Các bước thực bao gồm: Bước Xác định vùng chảy [2, 8]: - Khởi tạo: Tại thời điểm bắt đầu, tất ô lưới định nghĩa không thuộc vùng Chọn giá trị dung sai ΔP Giá trị dung sai ΔP nhỏ số vùng tạo lớn Bắt đầu tạo vùng: Chọn ô chưa thuộc vùng xem ô hạt giống vùng Ô hạt giống thường có giá trị vận tốc vseed thấp cao Phát triển vùng: Nếu ô liền kề vùng tạo chưa thuộc vùng có giá trị vận tốc ν thỏa mãn | vseed − v |≤ ∆P thuộc vùng tạo Tiếp tục khơng cịn thỏa mãn điều kiện - Kết thúc: Khi cịn chưa thuộc vùng nào, quay lại bước Ngược lại, việc phân vùng kết thúc Bước Xác định thể tích, thơng số vận tốc trung bình vùng chảy Bước Xây dựng mơ hình CM gồm ngăn tương ứng với vùng dòng chảy dựa thành phần chảy phần mềm Progepi RTD 4.2.1.0 Phần mềm Progepi RTD phát triển Phịng thí nghiệm khoa học kỹ thuật hóa học (Pháp) giới thiệu cơng cụ hữu ích việc xác định mơ hình ngăn trộn sở đặc tính dịng chảy thủy động lực học hệ thống [9, 10] Giao diện phần mềm minh họa Hình Hình Minh họa giao diện phần mềm Progepi RTD [10] Bước Mơ hình hóa đường cong RTD CM cho phù hợp với kết RTD thu thí nghiệm đánh dấu II.2 Kết Phần mềm hỗ trợ học thuật FLUENT (ANSYS ACADEMIC) sử dụng để mô động học dịng chảy bể chứa khơng phản ứng hóa học Bể chứa gồm đầu vào đầu có bán kính cm, kích thước 100 cm x 100 cm x 12 cm minh họa Hình 3a Pha nước bơm vào mơ hình với lưu lượng 2,3 Lít/phút Khối lượng riêng độ nhớt nước 998,8 kg/m3 0,01003 g.s/cm Phân bố vận tốc theo mặt cắt ngang mơ hình (Hình 3b) cho thấy có ba vùng vận tốc chính: (1) vận tốc cao từ đầu vào đến đầu v1tb ≥ cm/s, (2) vận tốc chậm từ đầu đến đầu vào v2tb ~ 0,5 cm/s (3) vùng khuếch tán góc v3tb ~ cm/s a) b) Hình Mơ hình bể chứa khơng phản ứng hóa học FLUENT (trái) phân bố vận tốc theo mặt cắt ngang mơ hình (phải) Tại ≤ t ≤ 40 (s), dung dịch muối NaCl bơm vào bể chứa chất đánh dấu Khối lượng riêng độ nhớt dung dịch muối giả định 1000 kg/m3 0,01003 g.s/cm Mơ hình VOF sử dụng để tính tốn phân bố nồng độ chất đánh dấu mơ hình mơ Phân bố thời gian lưu chất đánh dấu E(t) đầu mơ hình theo thời gian trình bày Hình Hình Phân bố thời gian lưu chất đánh dấu E(t) đầu mơ hình Xác định vùng chảy Chương trình chia vùng tự động xây dựng phần mềm VISUAL STUDIO PROFESSIONAL 2012 version 11.0.50727.1 dựa vào kết phân bố vận tốc CFD phương pháp chia vùng trình bày phần mơ hình ngăn trộn CM Giao diện chương trình Hình Kết cho thấy có ba vùng chảy mơ hình: vùng chảy vận tốc cao v1tb ≥ cm/s (màu trắng), vùng chảy tuần hồn v2tb ~ 0,5 cm/s (màu tím) vùng thể tích chết v3tb ~ cm/s (màu đen) Hình Giao diện chương trình chia vùng Mở file text liệu vận tốc thu từ CFD, Lựa chọn ∆P = 0,45 cm/s, Lựa chọn vùng muốn hiển thị, Lựa chọn gam màu hiển thị, Lưu hình ảnh, Số thuộc vùng, 7a Hình ảnh phân bố vận tốc, 7b Hình ảnh vùng phân chia, 7c Hình ảnh vùng chọn II.3 Bàn luận Phân bố thời gian lưu chất đánh dấu (Hình 4) cho thấy tồn kiểu chảy tuần hồn tích chết mơ hình, hàm phân bố gồm tập hợp xung cách Áp dụng phần mềm ORIGINPRO 2019b version 9.6.5.169 để giải chập phân bố, thời gian lưu trung bình đỉnh xung tương ứng 959 (s), 3438 (s) 5946 (s) Levenspiel (1999) minh họa kiểu chảy Hình 6, V1 vùng vận tốc cao, V2 vùng chảy tuần hoàn với tỷ phần tuần hồn R, Vd vùng thể tích chết [7] Hình Minh họa kiểu chảy tuần hồn với thể tích chết (trái) phân bố thời gian lưu tương ứng hệ thống Tỷ số diện tích đỉnh xung liền kề: R R +1 Thời gian lưu trung bình đỉnh xung đầu tiên: τ = Độ chênh thời gian đỉnh xung: ∆t = (8) V1 ( R + 1)Q V1 V + ( R + 1)Q RQ (9) (10) Từ Công thức (8-10), tính tỷ phần tuần hồn R mơ hình 0,42, thể tích vùng vận tốc cao V1 = 52,1 (Lít), thể tích vùng tuần hồn V2 = 24,4 (Lít) thể tích vùng chết Vd = 43,5 (Lít) chiếm 36% tổng thể tích mơ hình Trong thời gian tới, việc xây dựng mơ hình CM dựa thành phần chảy phần mềm Progepi RTD tiếp tục hoàn thiện Phương pháp sau kiểm chứng kết thí nghiệm phịng thí nghiệm trước mở rộng ứng dụng với bể chứa thực tế III KẾT LUẬN Báo cáo trình bày nghiên cứu tổng quan phương pháp CM dựa mô CFD phân tích RTD mơ tả đặc trưng dịng chảy bể chứa khơng phản ứng hóa học Mơ hình bể chứa giả định có kích thước 100 x 100 x 12 cm xây dựng phần mềm ANSYS ACADEMIC Kết trường vận tốc phân bố thời gian lưu mơ hình sau sử dụng để xác định vùng chảy thể tích tương ứng hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y.L Moullec, et al Comparison of systemic, compartmental and CFD modelling approaches: application to the simulation of a biological reactor of wastewater treatment Chemical Engineering Science, 65, pp.343 – 350, 2009 [2] A Delaffose, et al Development of a compartment model based on CFD simulations for description of mixing in bioreactors Biotechnol Agron Soc Environ, pp 517 – 522, 2010 [3] A Alvarado, et al A compartmental model to describe hydraulics in a full-scale waste stabilization pond Water Research, 46, pp 521 – 530, 2012 [4] S Yang, et al Optimization of Reaction Selectivity Using CFD – Based Compartmental Modeling and Surrogate-Based Optimization Department of Chemical and Biochemical Engineering, Rutgers, 2018 [5] Carl-Fredrik Mandenius Bioreactors: Design, Operation and Novel Applications WileyVCH Verlag GmbH & Co KgaA, 2016 [6] P.V Danckwerts Continuous Flow Systems: Distributions of Residence Times Chem Eng Sci., 2, pp.1-13, 1953 [7] O Levenspiel Chemical Reaction Engineering (Third Edition) John Wiley & Sons 1999 [8] F Bezzo, S Macchietto A general methodology for hybrid multizonal/CFD models Part II Automatic zoning Computers and Chemical Engineering, 28, pp 513–525, 2004 [9] IAEA Radiotracer Residence Time Distribution Method for Industrial and Environmental Applications 2008 [10] IAEA-TECDOC-1262 Radiotracer technology as applied to industry Final report of a co-ordinated research project 1997–2000 2001 APPROACHING THE COMPARTMENTAL MODEL BASED ON CFD SIMULATION COMBINED WITH RTD ANALYSIS TO DESCRIBE FLOW BEHAVIOR IN A BASIC TANK TRAN TRONG HIEU1, HUYNH THI THU HUONG1, NGUYEN THANH CHAU1, LE VAN SON1 Centre for Applications of Nuclear Technique in Industry, Vietnam Atomic Energy Institute Email: hieuhtt@canti.vn Abtract Understanding the flow characteristics in a tank such as dynamic parameters, dead volume zone, optimal operating zone helps to control tank performance Two conventional methods are used to describe the flow of a closed tank: computational flow dynamics (CFD) method based on solving Navier – Stokes equations using the numerical method - providing detailed information about flow systems but often require large computational times, and the time residence distribution analysis (RTD) method based on tracer test - simple to calculate but does not locate flow zones in the system This report presents the compartmental model (CM) approach with the advantage of synthesizing information from RTD and CFD, promising the possibility of modeling complex tank systems Từ khóa: compartmental model, CFD, RTD  ... Mơ hình ngăn trộn (CM) xây dựng hệ thống dòng chảy gồm tổ hợp ngăn trộn tương ứng với vùng dòng chảy hòa trộn lý tưởng, chảy nút, thể tích chết với tiêu chí phân vùng dựa vào trường vận tốc bể. .. phương pháp CM dựa mơ CFD phân tích RTD mơ tả đặc trưng dịng chảy bể chứa khơng phản ứng hóa học Mơ hình bể chứa giả định có kích thước 100 x 100 x 12 cm xây dựng phần mềm ANSYS ACADEMIC Kết trường... mơ hình CM dựa kết mơ CFD Kết cho thấy sử dụng mơ hình CM để tối ưu hóa q trình trộn bể [4] Như vậy, việc thiết lập ngăn trộn chìa khóa phương pháp CM Phân tích thời gian lưu trung bình (RTD) dựa